一種負壓驅動軟體人工肌肉的設計與制備

劉迪一　陳培

摘? 要：通過理論建模設計出致動器結構，再借助CAD制圖軟件以及3D打印設備設計并成型出它對應的模具，最后通過澆鑄成型的方式制備出該負壓驅動軟體人工肌肉。該致動器由硅橡膠材料組成，外部呈長方體形，內部規則排列著彼此連通的長方體形的空腔以及長方體形的橫向彈性梁和縱向彈性梁。在特定負壓驅動下，致動器的彈性體結構會發生可逆、協同的屈曲，從而使整體在長度方向上產生直線型收縮致動，具備模仿肌肉收縮的功能。

關鍵詞：軟體;致動器;人工肌肉;負壓驅動;屈曲

中圖分類號：TP39? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0073-03

Abstract： The structure of the actuator is designed by theoretical modeling， and then the corresponding mold is designed and molded with the help of CAD drawing software and 3D printing equipment. Finally， the artificial muscle of the negative pressure driving software is prepared by casting. The actuator is composed of silicone rubber material， the outside is in a rectangular shape， and the inside is regularly arranged with rectangular cavities connected with each other， as well as rectangular transverse elastic beams and longitudinal elastic beams. Driven by a specific negative pressure， the elastic structure of the actuator will undergo reversible and cooperative buckling， resulting in a linear contraction in the length direction of the whole， so the actuator has the function of imitating muscle contraction.

Keywords： software; actuator; artificial muscle; negative pressure drive; buckling

氣動軟體致動器具備可以接觸脆弱易碎和不規則形狀的物體（例如水果、動物組織或衣物）的能力[1-3]，因為它們與物體表面的接觸面積非常大，接觸力分布在極大的接觸面上就會使平均應力變得很小[4]，而且致動器本身是由柔軟、順應性很強的彈性體材料（如硅橡膠）制成[5]。另一方面，由于它們的工作模式是通過氣體驅動致動器形變來實現，這種簡易便捷的控制方式相比冗雜的傳統剛性機器人系統（由金屬、陶瓷或結構聚合物等材料制成的機器人）的控制方式，更有利于在機器人在很多特殊場景中的應用[6]。

人工肌肉致動器的歷史比較悠久。在此類致動器中，1950年代開發出的McKibben致動器最為典型和普及。McKibben致動器的核心組件為彈性體球囊和包裹著球囊的非彈性網。彈性體球囊在正壓驅動下體積發生膨脹，但因為受到非彈性網的限制，它的膨脹是各向異性的，徑向膨脹，軸向收縮，從而模仿肌肉的直線型收縮運動[7]。但McKibben致動器存在3個缺陷限制了它的應用：（1）球囊與非彈性網間的干摩擦以及它們的非彈性變形會讓運動存在滯后情況，這種滯后使致動器的精準控制變得困難。（2）它的工作所需氣壓比較高，工作時的輸出力也很大，它做不到以較小的工作氣壓輸出較小的力，應用場景因此受到限制。（3）施加太高的壓力（一般為500kPa左右）會使氣球從網孔中凸出或損壞網甚至自身爆裂[8]。

所謂的“屈曲”（Buckling） 是一種硬質材料結構中的不可逆的破壞機制，但近幾年發現彈性體材料結構的屈曲是一種協同性、可逆的材料工作機制。基于材料的周期性結構中彈性體梁（Elastomeric beams）在負壓下的協同（周期排列的彈性體梁協同變形使整體結構發生特點改變）、可逆（取消負壓后變回原形）變形，是軟體屈曲致動器的驅動基礎，也為軟體機器人系統提供了一種全新的致動模式[9]。此類致動器的優勢包括：（1）它們沒有因為內部壓強過大而使機體爆裂的安全隱患;（2）它們能夠在空間受限

的環境中執行任務。借助彈性體的屈曲，人們研發出了很多柔性器件（例如可拉伸的柔性電子器件[10]、流體驅動致動器[11]等）。

本文提出利用屈曲的力學機制來設計出一種彈性體人工肌肉（Vacuum driven buckling artificial muscle， V-BAM）。通過致動器內部的彈性體梁在負壓下的可逆屈曲，產生類似于骨骼肌的運動。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

Dragon SkinTM 30型硅橡膠，Smooth-On公司。

分析天平（AL204），梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司;可調真空發生系統（定制），美國Bosch Rexroth公司;數碼相機（D7000型），日本Nikon公司。

1.2 負壓驅動軟體人工肌肉的結構設計

屈曲致動器的結構可以簡化看成是一塊嵌有許多規則性排列的空腔彈性體基體。具體來說，我們可以認為它包含了許多相互關聯與作用的彈性體梁和相互連接的可變形氣腔，并由一層彈性體薄膜從外面密封住。當將空腔中施加真空時，由內外氣壓差引起的各向同性壓縮導致彈性體梁發生可逆協同屈曲，這會使得結構發生各向異性形變從而產生某些運動。

V-BAM的幾何結構設計如圖1（a）所示：整個結構可以看作是一個大的長方體形彈性體，內部規則排列著小的長方體形空腔。致動器的長度、寬度、高度分別為46.5mm、34mm、28mm，內部兩種長方體形空腔的長度、寬度、高度則各分別是12mm、6mm、24mm以及6mm、6mm、24mm。這些規則排列的空腔也使致動器內部形成了平行于致動器長度方向的縱向彈性體梁（Vertical beams）和平行于致動器寬度方向的橫向彈性體梁（Horizontal beams）。橫向梁的寬度為1.5mm，縱向梁的長度和寬度分別是6mm和4mm。如圖1（b）所示，當對這個網絡狀結構施加適當負壓時，整體結構就會發生屈曲變形，橫向梁會發生連續彎曲，縱向梁會略微變短和變粗，這種屈曲使得V-BAM長度收縮，同時產生直線型的收縮力。

1.3 負壓驅動軟體人工肌肉的制備及演示

借助CAD設計軟件Solidworks 2015進行致動器模具的結構設計，模具的結構如圖2所示。將由CAD軟件內完成的模型文件導出為STL文件，并在切片軟件ideaMaker 3.1.0中切片，導出為gcode格式的切片文件。最后把切片文件導入3D打印機進行模具的實體成型，所使用的3D打印機為Raised 3D Plus型熔融擠出式3D打印機，模具材料為ABS樹脂。

V-BAM通過澆鑄成型。稱取Dragon SkinTM 30型硅橡膠的A、B組分各15g，將A組分和B組分混合并進行機械攪拌，攪拌時長為10分鐘左右。然后進行5分鐘的真空排泡處理。排泡完成后，將前驅液澆鑄至2個相同的ABS模具中。接著在室溫下讓前驅液自然固化8小時再脫模，得到2個最終組成V-BAM的部件（一半的V-BAM）。將未固化的Dragon SkinTM 30型硅橡膠前驅液涂在2個部件的結合界面上，然后把它們互相對齊粘合起來，放到60°C的烘箱中固化15分鐘，即可制備得到完整的V-BAM。

如圖3所示，V-BAM可以在負壓驅動下產生類似于骨骼肌收縮的直線型致動變形以及收縮力，拉動總重為960克的重物至完全收縮。

2 結論

本實驗通過理論建模與澆鑄成型的方式制備得到了負壓驅動的軟體屈曲人工肌肉V-BAM。V-BAM的結構看成是一塊大的長方體形彈性體基體內部嵌有許多小的長方體形空腔，并由一層彈性體薄膜從外面密封住，從而形成縱向彈性體梁、橫向彈性體梁以及彼此連通的可變形氣腔。當對V-BAM施加真空時，由內外氣壓差引起的各向同性壓縮導致彈性體梁發生可逆協同屈曲，整體結構就會發生屈曲變形，產生類似骨骼肌收縮的直線型致動。

參考文獻：

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